桥梁门式框架墩设计研究

詹航 张谦 欧阳泽卉

摘要：在公路、市政及轻轨桥梁建设中，由于既有道路或构造物导致桥梁小角度跨越较多，因此，框架墩被广泛应用。文章以新207国道大桥2#墩为例，介绍3柱框架墩的设计研究过程，并根据框架墩的建设条件分析不同结构方案的受力特点，同时基于线性叠加原理提出该类结构的钢束配置策略，最终确定合理的桥墩结构形式，为框架墩的设计与应用提供借鉴。

关键词：框架墩;固结;预应力;设计

0 引言

新207国道大桥（图1）是襄阳绕城高速公路南段一座控制性桥梁，在里程桩号K42+589.3与新207国道K2460+990交叉，交角29°，采用2×58 m变截面连续组合梁桥上跨新207国道，桥下净空按6×26 m控制。大桥主梁钢梁采用钢槽梁，单箱单室结构，直腹板，梁高3～4 m，顶板宽1 m，底宽6.39 m;箱梁顶板厚28～44 mm，腹板厚16～20 mm，底板厚16～20 mm;底板采用T型肋加劲，横向间距为800 mm，横隔板顺桥向标准间距为3.5 m，中横隔板厚16 mm，端支承横隔板厚32 mm;主墩设计为矩形柱式墩，组合梁横梁外伸至墩柱，过渡墩采用分离式盖梁柱式墩，采用桩基础。建设过程中考虑到过渡墩墩柱处于新207国道路基边坡挡墙处，距离新207国道最外侧行车道较近，为避免过渡墩遭受意外撞击，故将过渡墩设计由分离式盖梁柱式墩调整为3柱框架墩。本文以2#墩为例介绍3柱框架墩的设计研究过程。

1 框架墩设计方案

框架墩因布置灵活而在道路交叉中的应用非常广泛，尤其是当既有或规划道路地上、地下附着物错综复杂，道路交叉角度小时，更凸显这种下部结构形式的优越性。框架墩可按照材料不同，分为普通钢筋混凝土、预应力筋混凝土、钢结构3种形式;按照墩柱个数分为双柱、3柱及多柱框架墩[1]。本桥主梁为钢混组合梁，无法采用钢结构框架墩，且按照桥墩避让要求，最终确定将2#过渡墩由分离式盖梁柱式墩合并为3柱框架墩。2#过渡墩的墩柱间距分别为8.2 m和14.5 m，墩柱间距相差较大，在满足支撑上部结构及桥下净空要求，并考虑墩柱抗推刚度和高差、预应力布置及外观等因素后，具体的桥墩结构方案如图2所示。横梁高×宽为2 m×2.5 m，靠近墩柱侧设置加厚段，提高墩顶附近抗剪承载力，墩柱尺寸顺桥向×横桥向均为2.5 m×2 m，采用2 m厚承台接4根直径1.2 m桩基础。

按照墩柱和横梁的合理刚度匹配原则，本桥2#框架墩横梁梁高不能取值过大，一方面足够满足桥下通行净空，另一方面不会因受力分配导致桥墩整体尺寸拟定过大而造成浪费。

由于2#框架墩跨径较大，承担的上部结构荷载也很大，温度荷载效应在所承受的各分项荷载效应中所占比重也最大，在结构尺寸确定的情况下只能通过比选合适的结构体系方案和寻找对应的最优钢束布置，从而减小温度荷载效应，改善结构整体受力状态，也避免因体系不合理导致配置过多的预应力钢束。方案一为框架墩与框架梁全部固结，桥墩整体性和抗震性能较好，超静定次数多，受力较复杂，混凝土收缩徐变和预应力效应受结构体系影响大，施工时需整体浇筑墩梁;方案二为中墩与框架梁固结，边墩释放除纵桥向和竖向以外的约束，在简支情况下，边墩墩梁结点处预应力、收缩徐变和温度作用效应得到缓解，体系受力形式明确[2]。

2 结构分析及配束

框架墩通常为预应力超静定结构，主要承受自重、上部结构传递的恒活载、汽车制动力、系统温度及预应力作用等。本桥根据过渡墩的约束情况不考虑汽车制动力，采用Midas软件建立有限元分析模型（见下页图3），计算结构效应并配置钢束后进行承载力验算。

2.1 分析要点

本桥2#桥墩均采用矩形截面建立梁單元模型，墩柱与框架梁之间模拟弹性连接，桥墩汽车活载通过建立虚拟横梁传递，在支座位置处模拟支座支承刚度。

对于框架墩基础约束条件的模拟，因本桥墩墩高较小，桩土约束条件对分析结果影响很大，需要根据梁柱线刚度之比确定桩基合理的模拟刚度。在实际设计中，通常以换算深度hm=2×（d×1）范围内的土层水平抗力比例系数作为整个土层对桩的等效作用m值。若模拟约束较实际强时，过大的桩基刚度导致墩柱分担的荷载较横梁大，框架梁分担过小而偏于不安全，反之墩柱和基础设计不安全，这与真实值必然存在误差，故本桥桩基础按实际土弹簧刚度模拟[3]。

桥墩及上部结构恒载取实际重量，汽车作用于虚拟横梁上的单个车轮荷载由上部结构产生的总支座反力反算得到，温度作用考虑20 ℃整体升降温。施工阶段模拟顺序为：框架墩支架现浇→分批张拉预应力→架设主梁（含二期）→10年收缩徐变。

由于桥墩结构和荷载的不对称性，使得钢束布置对桥墩结构受力影响非常大，需要通过不断调整配束进行试算，才能得到合理的钢束配置参数（配束策略见后）。2#桥墩最终分析结果表明，采用方案一时，框架梁最大压应力为15.3 MPa，最大拉应力为-0.2 MPa，通过合理的配束可以满足承载能力和正常使用极限状态验算，但边墩最大拉应力达到3.5 MPa，墩柱底部将承担较大弯矩，满足偏心受压承载能力和裂缝限制条件下，边墩需配置较多的受力主筋，且墩梁结点过强也不利于抗震耗能。采用方案二时，框架梁最大压应力为14.9 MPa，最大拉应力为-2.4 MPa，边墩压应力为1.5 MPa，边、中墩柱保持全截面受压，该方案因降低了结构超静定次数，故钢束数量可明显减少，桥墩纵向稳定也可得到保证。另外，方案一框架墩在施工、通车运营过程中受诸多因素影响会使边墩产生内倾，混凝土徐变收缩也进一步加剧这种不利变形。为了改善框架墩受力状态，通常对边墩墩顶由内向外施加一定的水平顶推力，抵消上述因素产生的变形，降低边墩墩底的弯矩。

2.2 钢束配置

本桥2#墩在配束试算过程中，基于线形叠加原理分析“恒活载+温度作用”、钢束一次、“钢束二次+收缩徐变二次”产生的3种弯矩内力图，将框架墩划分钢束调整区域进行逐步调束试算（图4）。这种方法对超静定次数多的结构配置钢束具有思路清晰、效率高的优势，并形成如下配束策略：（1）A区域截面下缘不宜布置多层钢束，上缘需与之平衡，且上弯中层束也有利于满足截面抗剪和钢束布置空间要求，这样可降低此处截面钢束一次、“钢束二次+收缩徐变二次”合计的抗力弯矩，避免导致方案一截面上缘和方案二截面下缘过度受压;（2）B区域截面弯矩效应控制框架梁的钢束总根数，抗力弯矩由钢束一次提供，可通过增加截面顶层束或钢束靠近上缘布置满足承载要求，但顶层束布置过多，将导致类似（1）中的压应力和张拉端下缘压应力不易满足规范要求;（3）C区域墩柱间距较大，可通过靠近下缘布置钢束或将钢束靠近边墩起弯满足抗力要求;（4）短暂状况应力通过调整架梁和钢束分批张拉施工次序满足规范要求。

最终满足受力和构造要求的钢束布置如图5所示。方案一配置21根s15.2-19钢束，方案二配置19根s15.2-17钢束。结果表明，方案一与方案二钢束形状基本相同，大体与弯矩内力图相似;方案二配束过程较方案一简单，所需钢束用量较小。

实际施工过程中，结合横梁在预应力和恒载等施工荷载作用下截面边缘混凝土法向应力和挠度变形要求，最终确定本桥2#墩施工阶段顺序为：框架墩支架现浇→N4钢束→N2钢束→N3钢束→架设主梁→N1钢束→N5钢束→桥面系。

3 结语

在公路、市政及轻轨桥梁建设中，由于既有道路或构造物导致桥梁小角度跨越较多，因此，框架墩被广泛应用。新207国道大桥由于主梁钢结构部分已经在工厂制作，无法通过加长墩顶钢横梁的方式实现一孔跨越，而采用门型框架墩结构形式，并合理释放约束，可有效解决这类实际工程问题。

（1）框架墩可根据边界条件设计为不同材料和结构形式，本文对比了柱间距差异较大的3柱框架墩采用不同结构方案的受力特点。

（2）由于桥墩结构和荷载的不对称性，框架梁设置截断钢束更容易满足结构受力要求，但钢束截断后难于锚固，而选择通长束较为浪费。本桥从采用一次落架施工方式以及截面抗剪两个角度考虑，采用对称弯起通长钢束。

（3）对于超静定次数多的桥墩，钢束配置过程较复杂，可基于线性叠加原理逐步分析出配束策略。

（4）框架墩与框架梁全部固结时，“钢束二次+收缩徐变二次”效应对钢束配置影响很大，可通过释放边墩约束降低结点处的配束难度，减少钢束数量，同时避免采用因边墩产生内倾水平位移而施加顶推力的施工措施，使桥墩结构受力形式更加明确。

参考文献：

[1]余 江，郭 剑.高速公路大跨径框架墩的设计研究[J].公路交通科技，2011（6）：203-205.

[2]田万俊.预应力混凝土框架墩设计研究[J].铁道标准设计，2003（8）：67-69.

[3]张明欣.大跨径框架墩在跨线桥中的应用[J].公路，2009（7）：99-101.